JP2018101490A

JP2018101490A - ヒーターユニットおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2018101490A
Application number: JP2016245669A
Authority: JP
Inventors: 康行松浦; Yasuyuki Matsuura
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-28

Abstract

【課題】昇温特性の優れたヒーターユニットを提供する。【解決手段】平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面にそれぞれ第１接着層を介して金属電極板が設けられており、前記金属電極板のさらに外側に第２接着層を介して金属放熱板が設けられた層構成を有していること、及び、前記の第２接着層が粒子状の絶縁材料を分散された状態で含むことを特徴とする。この際、前記第２接着層に占める前記絶縁材料の割合が５〜５０重量％であり、前記絶縁材料は、平均粒径３０〜１００μｍのガラスビーズであることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、優れた昇温特性を有するヒーターユニット、特に正温度係数（Positive Temperature Coefficient, ＰＴＣ）ヒーター素子を発熱源に用いたヒーターユニットおよびその製造方法に関する。

これまでに、定温ヒーターや局所加熱ヒーターとして、自己温度制御機能を備えたＰＴＣヒーター素子を発熱源に用いた平板状ヒーターが多くの分野で使用されてきており、例えば下記の特許文献１には、車載用ヒーターとして、電極面を有する発熱素子と、その電極面に接して発熱素子に重ね合わされた電極部材と、発熱素子と電極部材とを包む絶縁性シートと、絶縁性シートに包まれた発熱素子及び電極部材を収容する中空部と、発熱素子からの熱が伝導される放熱面と、を有する筒体と、少なくともフィンを含み筒体の放熱面上に設けられた放熱体ユニットと、を備えたものが開示されている。
このような従来の平板状ヒーターは、図２に示されるように、ＰＴＣヒーター素子１とヒーターユニットを絶縁するために、ＰＴＣヒーター素子１の主表面に形成した電極と金属電極板３を接着層６で接着し、その周りに絶縁性シート７（例えば、東レ・デュポン株式会社製のポリイミドシート、商品名：カプトン（登録商標））を巻いて絶縁し、さらに熱を伝えるために角形パイプ状の金属８で圧接した構造を有しているが、このような構造であるために、熱抵抗が発生し、ヒーターの昇温特性に問題が有った。

特許第４４５５４７３号公報

本発明は、従来技術における上記の問題点を解決し、優れた昇温特性を有する正温度係数ヒーターユニット（ＰＴＣヒーターユニット）を提供することを課題とする。また、本発明の課題は、上記のヒーターユニットを製造するための方法を提供することでもある。
本発明者は、種々検討を行った結果、ＰＴＣヒーター素子の主表面に形成した電極と金属電極板を接着剤で接着した上に、さらに粒子状の絶縁材料を混合分散させた接着層で金属放熱板を接着させることにより、ＰＴＣヒーター素子との絶縁を確保し、かつＰＴＣヒーター素子にて発生する熱をより早く均一に被加熱物に伝達できることを見出して、本発明を完成した。

前記の課題を解決可能な本発明のヒーターユニットは、平板状のＰＴＣヒーター素子の上面および下面にそれぞれ第１接着層を介して金属電極板が設けられており、前記金属電極板のさらに外側に第２接着層を介して金属放熱板が設けられた層構成を有していること、及び、前記の第２接着層が粒子状の絶縁材料を分散された状態で含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットにおいて、前記第２接着層に占める前記絶縁材料の割合が５〜５０重量％であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットにおいて、前記絶縁材料が、平均粒径３０〜１００μｍのガラスビーズであることを特徴とするものである。

更に、本発明は、上記の特徴を有したヒーターユニットを製造するための方法であって、当該製造方法が、以下の工程：
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に接着剤を塗布して金属電極板を貼り付ける工程、及び
粒子状の絶縁材料を混合分散させた接着剤を用意し、当該接着剤を前記金属電極板の表面に塗布した後、金属放熱板を貼り付ける工程
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、従来例より昇温特性の優れたヒーターユニットを得ることができる。この特性は、ＰＴＣヒーター素子に接着させた金属電極板の表面に、粒子状の絶縁材料を含んだ接着層を用いて金属放熱板を接着させることで、熱抵抗を最小限に抑えることができる。

本発明のヒーターユニットの一実施の形態に係る構成を示す図である。従来のヒーターユニットの構成を示す図である。実施例にて作製した本発明のヒーターユニットおよび従来品についての昇温特性を比較したグラフである。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１に示されるように、本発明のヒーターユニットにおいては、平板状のＰＴＣヒーター素子１の上面および下面（両電極面）にそれぞれ第１接着層２を介して金属電極板３が設けられており、この金属電極板３のさらに外側には、第２接着層４を介して金属放熱板５が設けられている。

本発明における平板状のＰＴＣヒーター素子１は、正温度特性を有したセラミック素子であり、この素子は、キューリー点以上の温度になると急激に抵抗が増加して通電する電流を抑制する結果、それ以上の温度上昇が制限される機能を有している。ＰＴＣヒーター素子１の上記機能により、温度制御回路や過熱防止回路を省略することができ、消費電力を小さくすることができる。
また、上記のＰＴＣヒーター素子１の上面および下面に設けられる第１接着層２は、耐熱性、導電性及び熱伝導性の点からシリコン系接着剤を用いて形成されることが好ましく、金属電極板３はアルミニウムやステンレスなどから成る金属板であり、金属電極板３の厚みとしては０．２〜０．５ｍｍが好ましい。

そして、第２接着層４（好ましくは厚み５０〜５００μｍ）には、接着剤に粒子状の絶縁材料が分散された状態にて、５〜５０重量％の割合、好ましくは１５〜３０重量％の割合で含まれている。本発明における第２接着層４を形成するのに使用される接着剤としては、耐熱性、導電性及び熱伝導性の点からシリコン系接着剤が好ましく、粒子状の絶縁材料は有機絶縁材料であっても無機絶縁材料であっても良いが、平均粒径が３０〜１００μｍである球状のガラスビーズが好ましく、平均粒径４０〜６０μｍのガラスビーズが特に好ましい。このような球状のガラスビーズとしては市販品が広く使用でき、上記の平均粒径は、光学顕微鏡による画像解析法（ＪＩＳＺ８８２７−１）により測定されたものである。

また、上記の第２接着層４によって上記金属電極板３の外側面に貼着される金属放熱板５としては、例えばアルミニウムやステンレスなどの熱伝導性に優れた金属からなるものが一般的であり、好ましい厚みは０．２〜０．５ｍｍである。本発明のヒーターユニットの場合には、上記の第２接着層４中に粒子状の絶縁材料が分散されているために、絶縁性シートを使用しなくても、金属電極板３と絶縁された金属放熱板５を設けることができる。また、放熱性を向上させるため、金属放熱板５の厚みも最小限（好ましくは０．５ｍｍ以下）に薄くすることができる。

上記のヒーターユニットを製造するための本発明の製造方法は、平板状のＰＴＣセラミック素子の上面および下面に接着剤を塗布して金属電極板を貼り付ける工程と、粒子状の絶縁材料を５〜５０重量％混合分散させた接着剤を調製し、当該接着剤を前記金属電極板の表面に塗布した後、金属放熱板を貼り付ける工程を含み、ＰＴＣセラミック素子の両主表面に金属電極板を貼り付ける第１の工程にて使用される接着剤としてはシリコン系接着剤が好ましく、金属放熱板を貼り付ける第２の工程にて使用される接着層材料としては、有機または無機の粒子状絶縁材料が均一に分散されたシリコン系接着剤が好ましい。
この際、外側の金属放熱板を接着する接着剤中に５〜５０重量％の割合で、ガラスビーズを混合分散させることが好ましい。５重量％より小さいと、絶縁性を保つことが難しく、５０重量％を超えると熱伝導性が阻害されることから、絶縁性と熱伝導性の両立を図る観点から第２接着層４に占めるガラスビーズ（絶縁材料）の割合を５〜１０重量％にすることが好ましい。また、平均粒径３０〜１００μｍのガラスビーズを混合分散されている接着層材料を使用することが好ましい。このような接着層材料を用いて金属放熱板が貼着されたヒーターユニットは、優れた昇温特性、即ち、短時間で所定の温度に達する速熱性を有している。
以下、本発明のヒーターユニットの製造例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。

本発明例として、キュリー点が２５０℃のＰＴＣ素子（１５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の両主表面に市販のシリコン系接着剤を塗布厚み約５０μｍにて塗布し、金属電極板（材質：アルミニウム、厚さ０．２ｍｍ）を貼り付けた。さらにその上に、市販の平均粒径５０μｍのガラスビーズを、シリコン系接着剤（同上）の樹脂固形分に対して２０重量％の割合（接着層材料中に含まれるガラスビーズの割合）で混合・分散した分散液を塗布厚み約１００μｍにて塗布し、この塗布面に金属放熱板（材質：アルミニウム、厚さ０．２ｍｍ）を貼り付けた。このようにして得られた積層体を１５０℃の温度で１時間加熱し、シリコン系接着剤を熱硬化することで、図１に示される層構成を有した本発明のＰＴＣヒーターユニットを作製した。
一方、従来例として、上記の本発明例で用いたのと同じＰＴＣ素子の両主表面に、上記の本発明例にて使用したのと同じ市販のシリコン系接着剤を塗布し、厚み０．２ｍｍの金属電極板を貼り付けた。このようにして得られた積層体を絶縁性シート（厚さ５０μｍのカプトン（登録商標）フィルム）を巻いて絶縁し、さらに金属製の角形チューブを被せ、この角形チューブに圧力を加えて上記絶縁性シートと圧接する様にし、図２に示される構成を有したＰＴＣヒーターユニットを作製した。

図３には、上記で得られた本発明例と従来例の各昇温特性が示されている。
図３に示されるように、同じＰＴＣ素子を用いた場合でも、本発明例と従来例には大きな差が有り、本発明例の場合には、短時間で所定の温度に達し、この温度が一定に維持される。また、本発明例の場合には、カプトン（登録商標）フィルムの様な絶縁性シートを使用することなく、電極板と絶縁された金属放熱板を設けることができ、この金属放熱板の厚みも放熱性を向上させるため、必要最小限で薄くすることができる。
これに対し、従来例の場合には、角形のパイプに圧力を加えて絶縁性シートに圧接させてこれを金属放熱板としているので、本発明例の様に、角形のパイプを構成する金属放熱板の厚みを１．０ｍｍ以下に薄くすることはできない。もし、それ以下に厚みを薄くすると、角形パイプの剛性が低下し、ヒーターユニットの形状が保持できなくなるからである。さらに、この従来例には、角形パイプと絶縁性シートを圧接させる際に印加する圧力により、セラミック製のＰＴＣ素子にクラックが発生するおそれが有り、また、この圧接時に絶縁性シートが損傷して、絶縁が保てなくなる可能性も有った。
上記実施例における比較試験からもわかるように、本発明は、従来例における問題点を解消できるものであり、また、本発明では金属放熱板と金属電極板を、最短距離で熱抵抗を最小限にして熱結合できるため、速熱性が要求されるＰＴＣヒーターユニットの構造として従来より優れたものである。

本発明のヒーターユニットは、短時間で所定の温度に達して当該温度を維持し続ける優れた昇温特性を有しているので、自己温度制御機能を備えた各種製品（例えば、定温ヒーターや局所加熱ヒーターなど）に幅広く利用できる。

１ＰＴＣセラミック素子（正温度係数セラミック素子）
２第１接着層
３金属電極板
４第２接着層（粒子状の絶縁材料を含む層）
５金属放熱板
６接着層
７絶縁性シート
８角形パイプ状の金属

Claims

平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面にそれぞれ第１接着層を介して金属電極板が設けられており、前記金属電極板のさらに外側に第２接着層を介して金属放熱板が設けられた層構成を有していること、及び、前記の第２接着層が粒子状の絶縁材料を分散された状態で含むことを特徴とするヒーターユニット。
前記第２接着層に占める前記絶縁材料の割合が５〜５０重量％であることを特徴とする請求項１に記載のヒーターユニット。
前記絶縁材料が、平均粒径３０〜１００μｍのガラスビーズであることを特徴とする請求項１または２に記載のヒーターユニット。
ヒーターユニットを製造するための方法であって、当該製造方法が、以下の工程：
平板状の正温度係数セラミック素子の上面および下面に接着剤を塗布して金属電極板を貼り付ける工程、及び
粒子状の絶縁材料を混合分散させた接着剤を用意し、当該接着剤を前記金属電極板の表面に塗布した後、金属放熱板を貼り付ける工程
を含むことを特徴とするヒーターユニットの製造方法。